Многочастичные модели процессов в фотосинтетической мембране

Фрагменты фотосинтетической мембраны описываются с помощью различных математических методов. Построенная нами модель объединяет эти описания в единое целое, что позволяет проследить за судьбой отдельных компонентов системы, ее макрохарактеристик, визуально наблюдать происходящие процессы на фотосинтетической мембране.

Модель представляет собой 3D-сцену, состоящую из люминального пространства, ограниченного двумя мембранами, вне которых находится стромальное пространство. ФС I, ФС II, цитохромный и другие комплексы встроены в мембрану, их форма и расположение соответствуют экспериментальным данным. Перенос электрона внутри комплексов описывается дифференциальными уравнениями для вероятностей состояний комплексов. Движение подвижных переносчиков (пластоцианина в люмене, пластохинона внутри мембраны и ферредоксина в строме) описывается законами броуновской динамики. Распространение протонов в люминальном и стромальном пространстве описывается с помощью уравнений в частных производных. Моделируется возникновение трансмембранного градиента протонов и синтез АТФ.

Прямое моделирование фотосинтетичеких процессов позволяет выявить роль структурной организации в формировании кинетических сигналов, регистрируемых в биофизических экспери-ментах (флуорометрия, ЭПР и др.), и моделировать процессы в пространстве и времени на субклеточном уровне.

Иллюстрации:

Трехмерная сцена многочастичной модели. Синим обозначены комплексы фотосистемы II, зеленым – фотосистемы I, красным – цитохром b₆f, желтым – АТФ-синтаза.

Расчетная траектория движения молекулы пластохинона в мембране.

Негомогенное распределение комплексов фотосинтетических реакционных центров в мембране (вид сверху). Слева - гранальная область с преобладанием комплексов фотосистемы II, справа - стромальная (ламелярная) с преобладанием фотосистемы I.

Концентрация протонов в люмене вдоль плоскости мембраны.

Общая концентрация H⁺ в люмене.

Полный выход АТФ.

По теме работают: к.ф.-м.н. Дмитрий Михайлович Устинин, к.ф.-м.н. Илья Борисович Коваленко, аспирант Анна Михайловна Абатурова. Работа ведется в сотрудничестве с экспериментальными группами кафедры биофизики Биологического ф-та и кафедрой компьютерных методов в физике Физического ф-та МГУ (проф. Алексей Иванович Чуличков, доцент Евгений Александрович Грачев, аспирант Павел АндреевичГромов, студентка Татьяна Александровна Копит).

Сектор информатики и биофизики сложных систем